DE102014219970A1 - Piston, piston engine with such and motor vehicle with such a piston engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kolben (10) für eine Kolbenmaschine (1), umfassend einen Kolbenboden (11), ein Kolbenhemd (12) sowie eine auf einer Oberfläche des Kolbens (10) angeordnete Beschichtung (20). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Beschichtung (20) eine Legierung auf Basis von Eisen-Aluminium oder eine intermetallische Verbindung auf Basis von Eisen-Aluminium umfasst und so angeordnet ist, dass sie im Montagezustand des Kolbens (10) zumindest abschnittsweise an einen Brennraum (40) der Kolbenmaschine (1) angrenzt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug aufweisend eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine.The invention relates to a piston (10) for a piston engine (1), comprising a piston head (11), a piston skirt (12) and a coating (20) arranged on a surface of the piston (10). According to the invention, it is provided that the coating (20) comprises an alloy based on iron-aluminum or an intermetallic compound based on iron-aluminum and is arranged so that it is at least partially in the assembled state of the piston (10) to a combustion chamber (40 ) of the piston machine (1) adjacent. Another aspect of the invention relates to a motor vehicle having a piston engine according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Kolbenmaschine, insbesondere einen Hubkolbenmotor. Die Erfindung betrifft ferner eine Kolbenmaschine mit einem solchen Kolben sowie ein Fahrzeug, das die Kolbenmaschine aufweist. The invention relates to a piston for a piston engine, in particular a reciprocating engine. The invention further relates to a piston engine with such a piston and a vehicle having the piston engine.
Kolbenmaschinen (auch als Hubkolbenmaschine bezeichnet) umfassen ein feststehendes Bauteil, nämlich einen Zylinder, sowie einen beweglich in dem Zylinder angeordneten Kolben. Der Kolben ist im Wesentlichen aus einem Kolbenhemd, welches entlang der Zylinderwand gleitend gelagert ist, und einem Kolbenboden aufgebaut. Der Kolbenboden schließt zusammen mit dem Zylinder einen abgeschlossenen Brennraum ein, dessen Volumen sich durch die Bewegung des Kolbens entsprechend dem Arbeitstakt der Maschine verändert. Die jeweilige Stellung des Kolbens im Gehäuse bestimmt somit die Größe des Brennraums. Eine Abdichtung des Brennraums gegenüber dem Kurbelgehäuse erfolgt über am Kolbenhemd des Kolbens vorgesehene Dichtelemente. Als Werkstoffe für derartige Kolben sind Stähle und Leichtmetalllegierungen auf Aluminiumbasis verbreitet. Piston engines (also referred to as reciprocating piston engine) comprise a stationary component, namely a cylinder, and a piston arranged movably in the cylinder. The piston is essentially composed of a piston skirt, which is slidably mounted along the cylinder wall, and a piston crown. The piston crown, together with the cylinder, encloses a closed combustion chamber whose volume changes as a result of the movement of the piston in accordance with the working stroke of the engine. The respective position of the piston in the housing thus determines the size of the combustion chamber. A sealing of the combustion chamber relative to the crankcase takes place via sealing elements provided on the piston skirt of the piston. The materials used for such pistons are steels and aluminum-based light alloys.
Die heute am weitesten verbreiteten Kolbenmaschinen stellen Otto- und Dieselmotoren dar, die insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Der Kolben muss bei Kraftfahrzeugmotoren unter anderem die im Brennraum wirkenden Gaskräfte auf die Pleuelstange übertragen. Darüber hinaus hat er die Aufgabe, die auf ihn übertragene Verbrennungswärme an das Kühlmittel weiterzuleiten. The most widely used piston engines today are gasoline and diesel engines, which are used in particular in motor vehicles. In the case of motor vehicle engines, among other things, the piston has to transmit the gas forces acting in the combustion chamber to the connecting rod. In addition, he has the task of forwarding the heat of combustion transferred to him to the coolant.
Die Abführung thermischer Energie aus dem Brennraum ist notwendig, um die zulässigen Bauteiltemperaturen nicht zu überschreiten. Auf der anderen Seite führt die Wärmeabfuhr aus dem Brennraum über die Kolbenoberfläche jedoch zu ungenutzten Wirkungsgradpotentialen von Verbrennungsmotoren und senkt die Abgastemperaturen. Eine weitere Reduzierung der Abgastemperaturen wird durch verbrauchseinsparende Maßnahmen verursacht. Im Falle moderner Dieselmotoren sind die Abgastemperaturen bereits so gering, dass die Temperatur nachgeschalteter Katalysatoren nach einem Motorkaltstart lange Zeit unterhalb der Light-off-Temperatur oder der optimalen Betriebstemperatur des Katalysators liegt und daher die optimale Effizienz der Abgasnachbehandlung nicht erreicht wird. Zudem kann die Wärmebelastung am Kolbenboden Korrosion verursachen. Somit werden Maßnahmen angestrebt, um die Abgastemperaturen zu erhöhen oder jedenfalls nicht weiter zu reduzieren. The dissipation of thermal energy from the combustion chamber is necessary in order not to exceed the permissible component temperatures. On the other hand, however, the heat removal from the combustion chamber via the piston surface leads to unused efficiency potentials of internal combustion engines and lowers the exhaust gas temperatures. A further reduction in exhaust gas temperatures is caused by consumption-saving measures. In the case of modern diesel engines, the exhaust gas temperatures are already so low that the temperature of downstream catalysts after a cold engine start long time below the light-off temperature or the optimum operating temperature of the catalyst and therefore the optimal efficiency of exhaust aftertreatment is not achieved. In addition, the heat load on the piston crown can cause corrosion. Thus, measures are sought to increase the exhaust gas temperatures or at least not further reduce.
Um einem Wärmeabtransport aus dem Verbrennungsraum entgegenzuwirken, ist es sinnvoll, Teile des Kolbens mit isolierenden Materialien zu beschichten. To counteract a heat dissipation from the combustion chamber, it makes sense to coat parts of the piston with insulating materials.
In
Ferner werden keramische Kolbeneinsätze, keramische Gesamtkolben und Stahlkolben zur thermischen Isolierung eingesetzt. Es zeigte sich jedoch, dass diese Produkte Probleme in der Standfestigkeit, hohe Kosten und Akustikprobleme mit sich bringen. Furthermore, ceramic piston inserts, ceramic overall pistons and steel pistons are used for thermal insulation. However, these products have been found to pose problems of stability, high cost and acoustics issues.
In
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Probleme des Standes der Technik zu lösen oder zumindest zu mindern. Insbesondere soll ein Kolben bereitgestellt werden, mit dem eine Erhöhung der Abgastemperatur und eine Wirkungsgradverbesserung bei gleichzeitig hoher Haltbarkeit erzielt werden. The invention is based on the object to solve the problems of the prior art or at least reduce. In particular, a piston is to be provided with which an increase in the exhaust gas temperature and an improvement in efficiency can be achieved while maintaining high durability.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben, eine Kolbenmaschine und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. This object is achieved by a piston, a piston engine and a motor vehicle having the features of the independent claims.
Somit betrifft die Erfindung einen Kolben für eine Kolbenmaschine. Der Kolben umfasst einen Kolbenboden, ein Kolbenhemd sowie eine auf einer Oberfläche des Kolbens, also auf der Oberfläche von Kolbenboden und/oder Kolbenhemd, angeordnete Beschichtung. Erfindungsgemäß umfasst die Beschichtung eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung auf Basis von Eisen-Aluminium und ist so angeordnet, dass sie im Montagezustand des Kolbens in der Kolbenmaschine zumindest abschnittsweise an einen Brennraum der Kolbenmaschine angrenzt. Thus, the invention relates to a piston for a piston engine. The piston comprises a piston crown, a piston skirt and a piston surface on one surface of the piston, ie on the surface of piston crown and / or piston skirt, arranged coating. According to the invention, the coating comprises an alloy or an intermetallic compound based on iron-aluminum and is arranged such that, in the assembled state of the piston in the piston engine, it is adjacent, at least in sections, to a combustion chamber of the piston engine.
Die Anordnung der erfindungsgemäßen Beschichtung führt in vorteilhafter Weise zu einer Wirkungsgradsteigerung des Verbrennungsprozesses. Der Wirkungsgrad der Kolbenmaschine wird insbesondere dadurch erhöht, dass weniger Wärme aus dem Verbrennungsraum beziehungsweise dem Zylinderraum abtransportiert wird. Im Verbrennungsraum herrschen bei Verwendung des erfindungsgemäßen Kolbens somit höhere Temperaturen als aus dem Stand der Technik bekannt. Höhere Temperaturen wiederum führen zu einem höheren Wirkungsgrad. Zusätzlich wirkt sich eine Temperaturerhöhung im Verbrennungsraum positiv auf die Abgasbehandlung aus, da auch die Abgase eine höhere Temperatur aufweisen und somit zu einem beschleunigten Aufheizen und Anspringen der Katalysatoren führen. Vorteilhafterweise sorgt die erfindungsgemäße Beschichtung auf dem Kolben für eine thermische Isolation und/oder einen Korrosionsschutz der Kolbenoberfläche beziehungsweise des Kolbens. The arrangement of the coating according to the invention advantageously leads to an increase in the efficiency of the combustion process. The efficiency of the piston engine is particularly increased by the fact that less heat is removed from the combustion chamber or the cylinder chamber. In the combustion chamber thus prevail when using the piston according to the invention higher temperatures than known from the prior art. Higher temperatures in turn lead to a higher efficiency. In addition, a temperature increase in the combustion chamber has a positive effect on the exhaust gas treatment, since the exhaust gases also have a higher temperature and thus lead to an accelerated heating and catalyzing of the catalysts. Advantageously, the coating according to the invention on the piston ensures thermal insulation and / or corrosion protection of the piston surface or of the piston.
Die erfindungsgemäße Beschichtung ist insbesondere bei der Verwendung in Dieselmotoren vorteilhaft, da die relativ niedrigen dieselmotorischen Abgastemperaturen durch die erfindungsgemäße Beschichtung erhöht werden und somit der Wirkungsgrad und die Effizienz der Abgasnachbehandlung erhöht werden. The coating according to the invention is particularly advantageous when used in diesel engines, since the relatively low diesel engine exhaust gas temperatures are increased by the coating according to the invention and thus the efficiency and the efficiency of the exhaust aftertreatment can be increased.
Kolbenmaschinen sind Fluid-Energie-Maschinen, in denen ein Verdränger, nämlich der Kolben, mittels seiner Bewegung einen sich periodisch verändernden Arbeitsraum definiert. In vorliegender Erfindung wird unter Kolbenmaschine sowohl ein Drehkolbenmotor, welcher beispielsweise über einen Scheibenkolben verfügt, als auch ein Hubkolbenmotor mit insbesondere zylindrischem Kolben verstanden. Der Bereich des Kolbens, der dem Verbrennungsraum zugewandt ist und somit in Kontakt mit dem Luft-Kraftstoffgemisch beziehungsweise Abgas steht, ist in vorliegender Erfindung als Kolbenboden bezeichnet. Piston machines are fluid-energy machines in which a displacer, namely the piston, defines by means of its movement a periodically varying working space. In the present invention, the reciprocating engine is understood as meaning both a rotary piston engine, which for example has a disk piston, and a reciprocating piston engine, in particular a cylindrical piston. The region of the piston, which faces the combustion chamber and thus is in contact with the air-fuel mixture or exhaust gas, is referred to in the present invention as a piston crown.
In Hubkolbenmotoren, welche über Kolben mit im Wesentlichen zylindrischer Geometrie verfügen, weist der Kolbenboden in Draufsicht eine runde Form auf, welche an eine zylindrisch umlaufende Seitenwand, dem Kolbenhemd, anschließt. Die Oberfläche des Kolbenbodens wiederum kann vielfältige Konturen aufweisen. So sind in vorliegender Erfindung sowohl planare als auch konkav oder konvex gewölbte Formgestaltungen des Kolbenbodens möglich. Ebenfalls kann der Kolbenboden über Mulden und über Erhöhungen beispielsweise in Form von Nasen verfügen, die in dem Kolbenboden eingelassen sind und/oder aus diesem herausragen. In reciprocating engines, which have pistons with a substantially cylindrical geometry, the piston crown in plan view has a round shape, which adjoins a cylindrical circumferential side wall, the piston skirt. The surface of the piston crown in turn can have a variety of contours. Thus, both planar and concave or convex curved shapes of the piston crown are possible in the present invention. Likewise, the piston head can have depressions and elevations, for example in the form of lugs, which are embedded in and / or protrude from the piston head.
Intermetallische Verbindungen beziehungsweise intermetallische Phasen, sind homogene chemische Verbindungen aus zwei oder mehr Metallen. Sie zeigen im Unterschied zu Legierungen Gitterstrukturen, die sich von denen der konstituierenden Metalle unterscheiden. In ihrem Gitter herrscht eine Mischbindung aus einem metallischen Bindungsanteil und geringeren Atombindungs- beziehungsweise Ionenbindungsanteilen, die in Überstrukturen resultieren können. Die vorliegend bevorzugten intermetallischen Verbindungen oder Legierungen basieren jeweils auf Eisen und Aluminium. Darunter wird verstanden, dass mindestens 50 Gew.-% der intermetallischen Verbindung oder der Legierung aus Eisen und Aluminium besteht. Die auf Eisen und Aluminium basierenden intermetallischen Verbindungen oder Legierungen werden vorliegend auch als FeAl-Legierung oder -Verbindung bezeichnet. Intermetallic compounds or intermetallic phases are homogeneous chemical compounds of two or more metals. In contrast to alloys, they show lattice structures that differ from those of the constituent metals. In their lattice, there is a mixed bond of a metallic bond fraction and lower atomic bonding or ion-binding fractions, which can result in superstructures. The presently preferred intermetallic compounds or alloys are each based on iron and aluminum. By this it is meant that at least 50% by weight of the intermetallic compound or alloy consists of iron and aluminum. The iron and aluminum based intermetallic compounds or alloys are also referred to herein as FeAl alloy or compound.
Es ist vorteilhaft, die Kolbenoberfläche nur bereichsweise, insbesondere im Bereich des Kolbenbodens zu beschichten, da dieser Bereich mit dem Brennraum und somit mit den höchsten Temperaturen in Verbindung steht. Diese Ausgestaltung bringt somit eine Kostenersparnis, ohne Einbußen hinsichtlich der gewünschten thermischen Isolierung in Kauf nehmen zu müssen. Zudem kann der Oberflächenwerkstoff für das Kolbenhemd in dieser Ausgestaltung in Hinblick auf die gewünschten mechanischen und/oder tribologischen Eigenschaften optimiert werden. It is advantageous to coat the piston surface only in regions, in particular in the region of the piston crown, since this region communicates with the combustion chamber and thus with the highest temperatures. This embodiment thus brings a cost savings, without having to take losses in terms of the desired thermal insulation in purchasing. In addition, the surface material for the piston skirt in this embodiment can be optimized with regard to the desired mechanical and / or tribological properties.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung 8 bis 33 Gew.-% Aluminium umfasst. Dies ist vorteilhaft, da Aluminium als Hauptbestandteil der intermetallischen Verbindung beziehungsweise der Legierung neben Eisen im bevorzugten Bereich eigenschaftsbestimmend ist. In a preferred embodiment of the invention it is provided that the coating comprises 8 to 33 wt .-% aluminum. This is advantageous since aluminum, as the main constituent of the intermetallic compound or of the alloy, is property-determining in addition to iron in the preferred range.
Die als Beschichtung bevorzugte intermetallische Verbindung oder Legierung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie neben einer besonders hohen Temperaturfestigkeit von über 500 °C einen mit dem Kolbenbasismaterial kompatiblen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Das bedeutet, dass die Volumenausdehnung, welche die Beschichtung infolge von Temperaturerhöhung erfährt, sich so wenig von der Wärmeausdehnung des Werkstoffs von Kolbenboden und Kolbenhemd unterscheidet, dass es nicht zu einer Delamination kommt. Somit kann durch eine geeignete Wahl der Zusammensetzung der Verbindung, die Lebensdauer der Beschichtung auf dem Kolben deutlich erhöht werden. The intermetallic compound or alloy which is preferred as the coating is distinguished in particular by the fact that, in addition to a particularly high temperature resistance of more than 500 ° C., it has a coefficient of thermal expansion which is compatible with the piston base material. This means that the volume expansion experienced by the coating as a result of temperature increase is so little different from the thermal expansion of the material of the piston crown and piston skirt that delamination does not occur. Thus, by a suitable choice of the composition of the compound, the life of the coating on the piston can be significantly increased.
Ein Anteil von 8 bis 33 Gew.-% Aluminium in der Legierung (der FeAl-Basislegierung) oder der intermetallischen FeAl-Verbindung führt zudem vorteilhafterweise zu einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem von üblichen Kolbenbasismaterialien, insbesondere von Leichtmetallkolben, sehr ähnlich ist. Dies gilt insbesondere für Kolben aus eutektischen AlSi-Legierungen als Basismaterial, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa α ≈ 20·10e–6 K–1 aufweisen. Besonders geeignet zeigt sich hierbei die intermetallische Verbindung Fe-24Al, also eine Verbindung mit raumzentrierter Gitterstruktur (B2) und einem Massenanteil von 24 Gew.-% Aluminium. A proportion of 8 to 33 wt .-% aluminum in the alloy (the FeAl-based alloy) or the FeAl intermetallic compound also leads advantageously to a coefficient of thermal expansion, which is very similar to that of conventional piston base materials, in particular of light metal piston. This applies in particular to pistons made of eutectic AlSi alloys as the base material, which have a thermal expansion coefficient of approximately α≈20 · 10e -6 K -1 . Particularly suitable here is the intermetallic compound Fe-24Al, ie a compound with a body-centered lattice structure (B2) and a mass fraction of 24% by weight of aluminum.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Beschichtung ferner 0 bis 10 Gew.-% Chrom (Cr), insbesondere 0,1 bis 8 Gew.-% Cr, vorzugsweise 1 bis 7 Gew.-% Cr. Es zeigte sich, dass die Anwesenheit von Chrom in der Beschichtung vorteilhafterweise zu einer besseren Nasskorrosionsbeständigkeit führt. Als besonders vorteilhaft hinsichtlich der Nasskorrosionsbeständigkeit erwies sich eine Beschichtung, insbesondere in Form einer intermetallischen Verbindung, die zumindest 16 Gew.-% Aluminium und 5 Gew.-% Chrom aufweist (Fe-16Al-5Cr). Zusammensetzungen mit höheren Al- und/oder Cr-Gehalten weisen eine noch weiter verbesserte Nasskorrosionsbeständigkeit auf. In a further preferred embodiment of the invention, the coating further comprises 0 to 10 wt .-% chromium (Cr), in particular 0.1 to 8 wt .-% Cr, preferably 1 to 7 wt .-% of Cr. It was found that the presence of chromium in the coating advantageously leads to better wet corrosion resistance. A coating, in particular in the form of an intermetallic compound, which has at least 16% by weight of aluminum and 5% by weight of chromium (Fe-16Al-5Cr) proved to be particularly advantageous with respect to wet corrosion resistance. Compositions having higher Al and / or Cr contents have still further improved wet corrosion resistance.
Ferner ist bevorzugt, dass die Beschichtung neben Eisen, Aluminium und Chrom weitere Elemente aufweist. Somit weist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Beschichtung 8 bis 33 Gew.-% Al, 0 bis 10 Gew.-% Cr, 0 bis 10 Gew.-% Co, 0 bis 4 Gew.-% Mo, 0 bis 10 Gew.-% Ni, 0 bis 5 Gew.-% W, 0 bis 5 Gew.-% Re, 0 bis 6 Gew.-% Ta, 0 bis 5 Gew.-% Ti, 0 bis 4 Gew.-% V, 0 bis 20 Gew.-% Mn, 0 bis 1 Gew.-% Si, 0 bis 10 Gew.-% Nb, 0 bis 2 Gew.-% Hf, 0 bis 1 Gew.-% B, 0 bis 5 Gew.-% C, 0 bis 0,3 Gew.-% N, 0 bis 3 Gew.-% Zr, 0 bis 3 Gew.-% Y, 0 bis 1 Gew.-% Ce, 0 bis 2 Gew.-% Ga, 0 bis 2 Gew.-% La und 0 bis 2 Gew.-% Pt auf, wobei Fe und unvermeidbare Verunreinigungen den zu 100 Gew.-% verbleibenden Rest bilden. Furthermore, it is preferred that the coating has other elements in addition to iron, aluminum and chromium. Thus, in a further preferred embodiment of the invention, the coating 8 to 33 wt .-% Al, 0 to 10 wt .-% Cr, 0 to 10 wt .-% Co, 0 to 4 wt .-% Mo, 0 to 10 Wt% Ni, 0 to 5 wt% W, 0 to 5 wt% Re, 0 to 6 wt% Ta, 0 to 5 wt% Ti, 0 to 4 wt% V , 0 to 20 wt .-% Mn, 0 to 1 wt .-% Si, 0 to 10 wt .-% Nb, 0 to 2 wt .-% Hf, 0 to 1 wt .-% B, 0 to 5 wt % C, 0 to 0.3 wt% N, 0 to 3 wt% Zr, 0 to 3 wt% Y, 0 to 1 wt% Ce, 0 to 2 wt% Ga, 0 to 2 wt .-% La and 0 to 2 wt .-% Pt, wherein Fe and unavoidable impurities form the remaining 100 wt .-% remaining.
Der Vorteil dieser Ausgestaltungen liegt darin, dass insbesondere die Elemente Co, Mo, Ni, W, Ti, V, Mn, Si, Nb durch Mischkristallbildung mit der Verbindungsmatrix aus Fe und Al und Ausscheidungshärtung die Festigkeit der Beschichtung erhöhen. C und B dienen insbesondere in Verbindung mit Ti, Hf und Zr der Ausscheidungsbildung von zusätzlichen Teilchen, was den vorgenannten Effekt verstärkt. Darüber hinaus hat die Zugabe von C zur Beschichtung einen positiven Einfluss auf eine spanabhebende Bearbeitbarkeit der Beschichtungsoberfläche. The advantage of these embodiments is that in particular the elements Co, Mo, Ni, W, Ti, V, Mn, Si, Nb increase the strength of the coating by solid solution formation with the connection matrix of Fe and Al and precipitation hardening. C and B, especially in conjunction with Ti, Hf and Zr, serve to precipitate formation of additional particles, which enhances the aforementioned effect. In addition, the addition of C to the coating has a positive influence on a machinability of the coating surface.
Mit besonderem Vorteil weist die Beschichtung 10 bis 30 Gew.-% Al, 0 bis 5 Gew.-% Cr, 0 bis 5 Gew.-% Co, 0 bis 4 Gew.-% Mo, 0 bis 5 Gew.-% Ni, 0 bis 4 Gew.-% W, 0 bis 3 Gew.-% Re, 0 bis 3 Gew.-% Ta, 0 bis 5 Gew.-% Ti, 0 bis 4 Gew.-% V, 0 bis 10 Gew.-% Mn, 0 bis 1 Gew.-% Si, 0 bis 5 Gew.-% Nb, 0 bis 2 Gew.-% Hf, 0 bis 1 Gew.-% B, 0 bis 2 Gew.-% C, 0 bis 0,3 Gew.-% N, 0 bis 3 Gew.-% Zr, 0 bis 1 Gew.-% Y, 0 bis 0,5 Gew.-% Ce, 0 bis 1 Gew.-% Ga, 0 bis 1 Gew.-% La und 0 bis 1 Gew.-% Pt auf, wobei Fe und unvermeidbare Verunreinigungen den zu 100 Gew.-% verbleibenden Rest bilden. With particular advantage, the
Insbesondere bevorzugt ist, dass die Beschichtung 15 bis 29 Gew.-% Al, 0 bis 5 Gew.-% Cr, 0 bis 4 Gew.-% Mo, 0 bis 2 Gew.-% Ni, 0 bis 4 Gew.-% W, 0 bis 5 Gew.-% Ti, 0 bis 4 Gew.-% V, 0 bis 1 Gew.-% Si, 0 bis 5 Gew.-% Nb, 0 bis 2 Gew.-% Hf, 0 bis 1 Gew.-% B, 0 bis 2 Gew.-% C, 0 bis 0,3 Gew.-% N, 0 bis 3 Gew.-% Zr, aufweist, wobei Fe und unvermeidbare Verunreinigungen den zu 100 Gew.-% verbleibenden Rest bilden. Particularly preferred is that the coating 15 to 29 wt .-% Al, 0 to 5 wt .-% Cr, 0 to 4 wt .-% Mo, 0 to 2 wt .-% Ni, 0 to 4 wt .-% W, 0 to 5 wt .-% Ti, 0 to 4 wt .-% V, 0 to 1 wt .-% Si, 0 to 5 wt .-% Nb, 0 to 2 wt .-% Hf, 0 to 1 Wt .-% B, 0 to 2 wt .-% C, 0 to 0.3 wt .-% N, 0 to 3 wt .-% Zr, wherein Fe and unavoidable impurities to 100 wt .-% remaining Make rest.
Die derartig zusammengesetzten Beschichtungen zeichnen sich durch besonders niedrige Wärmeleitfähigkeiten von höchstens 14 W·m–1K–1, insbesondere von höchstens 13 W·m–1K–1, typischerweise von etwa 12 W·m–1K–1 aus. Zudem ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Beschichtung dem von Leichtmetallverbindungen auf Aluminium-Basis sehr ähnlich, sodass eine Beschichtung in einer dieser Ausgestaltungen eine sehr geringe Delaminationsneigung zeigt. The coatings composed in this way are distinguished by particularly low thermal conductivities of at most 14 W · m -1 K -1 , in particular of at most 13 W · m -1 K -1 , typically of approximately 12 W · m -1 K -1 . In addition, the thermal expansion coefficient of the coating is very similar to that of aluminum-based light metal compounds, so that a coating in one of these embodiments shows a very low delamination tendency.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolbenboden und/oder das Kolbenhemd eine Leichtmetalllegierung umfasst oder aus einer solchen besteht. Somit ist das Basiskolben zumindest teilweise aus einer Leichtmetalllegierung gefertigt. Unter Leichtmetalllegierung sind grundsätzlich alle Leichtmetalllegierungen zu verstehen, die in mechanischer Hinsicht den Anforderungen eines Kolbens entsprechen. In vorliegender Erfindung bevorzugt sind Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminium-Silizium-Legierungen, wobei der Siliziumgehalt variabel ist und bis zu übereutektischen Konzentrationen reichen kann. Insbesondere bevorzugt sind Al-Si12-Basislegierungen, die 12 Gew.-% Silizium aufweisen (beispielsweise EN AC AlSi12CuNiMg). In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the piston crown and / or the piston skirt comprises or consists of a light metal alloy. Thus, the base piston is at least partially made of a light metal alloy. Under light alloy are basically all light metal alloys to understand that meet the mechanical requirements of a piston. Preferred in the present invention are aluminum alloys, especially aluminum-silicon alloys, where the silicon content is variable and can range up to hypereutectic concentrations. Particularly preferred are Al-Si12 base alloys which comprise 12% by weight of silicon (for example EN AC AlSi12CuNiMg).
Diese Legierungen haben den Vorteil, dass sie einen mit der erfindungsgemäßen Beschichtung, insbesondere einer Beschichtung mit 10 bis 30 Gew.-% Aluminium, sehr ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und somit die Delaminationsneigung herabsetzen. Diese ist insbesondere dann minimiert, wenn der Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Kolben, insbesondere Kolbenoberfläche, und darauf angeordneter Beschichtung maximal 10 % bezogen auf eine Erwärmung von 1 K beträgt. These alloys have the advantage that they have a very similar to the coating according to the invention, in particular a coating with 10 to 30 wt .-% of aluminum, thermal expansion coefficients and thus reduce the Delaminationsneigung. This is minimized in particular if the difference in the coefficients of thermal expansion between the piston, in particular piston surface, and arranged thereon Coating maximum 10% based on a heating of 1 K is.
Für die Aufbringung der Beschichtung auf den Kolbenboden und/oder das Kolbenhemd sind in einer bevorzugten Ausgestaltung thermische Spritzverfahren bevorzugt. Dazu zählen insbesondere atmosphärisches Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Vakuum-Flammspritzen und Vakuum-Plasmaspritzen. Besonders gute Ergebnisse in Bezug auf die Schichthaftung werden dabei mit Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen erzielt. For the application of the coating to the piston head and / or the piston skirt, in a preferred embodiment, thermal spraying methods are preferred. These include in particular atmospheric plasma spraying, high-speed flame spraying, vacuum flame spraying and vacuum plasma spraying. Particularly good results with respect to the layer adhesion are achieved with high-speed flame spraying.
Die Erfindung betrifft ferner eine Kolbenmaschine, die zumindest einen Zylinder mit jeweils einem darin angeordneten Kolben gemäß vorliegender Erfindung umfasst. The invention further relates to a piston engine comprising at least one cylinder each having a piston arranged therein according to the present invention.
Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine solche Kolbenmaschine aufweist. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle having such a piston engine.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigt: The invention will be explained below in a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings. It shows:
Eine bevorzugte Ausgestaltung einer Kolbenmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben ist anhand einer Schnittdarstellung in der
In der gezeigten Ausgestaltung weist der Kolben
Der Kolben
Der Kolben
Der Kolbenboden
Der Beschichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Kolbenmaschine piston engine
- 10 10
- Kolben piston
- 11 11
- Kolbenboden piston crown
- 12 12
- Kolbenhemd skirt
- 13 13
- Dichtungselement sealing element
- 20 20
- Beschichtung coating
- 30 30
- Zylinder cylinder
- 40 40
- Brennraum combustion chamber
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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